Supernovae: Explosion oder Kollaps?

Einem internationalen Forscherteam ist es gelungen, experi­mentell die Bedingungen von Kern­prozessen in Materie, die zehn Millionen mal dichter und 25-mal heißer ist als im Mittel­punkt der Sonne, zu bestimmen. Ein Resultat der Messungen ist, dass Sterne mittlerer Masse mit hoher Wahr­schein­lich­keit explodieren und nicht kollabieren, wie bisher angenommen. Die Ergebnisse verdeut­lichen außerdem die Möglich­keiten, die zukünftige Beschleuniger­anlagen wie FAIR bieten, um die Prozesse besser zu verstehen, die der Entwick­lung des Universums zugrunde liegen.

Abhängig von ihrer Masse entwickeln sich Sterne im Laufe ihres Daseins sehr unter­schied­lich. Sterne geringer Masse, wie etwa unsere Sonne, werden am Ende zu weißen Zwergen. Masse­reiche Sterne anderer­seits enden als Supernova und lassen entweder einen Neutronen­stern oder ein schwarzes Loch zurück. Das Schicksal der masse­armen und masse­reichen Sterne ist gut verstanden, aber die Situation bei Sternen mittlerer Masse, die zwischen sieben und elf Sonnen­massen aufweisen, war bisher unklar. Das ist über­raschend, da sie in unserer Galaxie weit verbreitet sind.

„Das Schicksal der Sterne mittlerer Masse hängt von einem winzigen Detail ab, nämlich wie leicht das Isotop Neon-20 im Inneren des Sterns sich Elektronen einfangen kann. Je nach Elektronen­einfangs­rate wird der Stern entweder in einer thermo­nuklearen Explosion zerstört oder er kollabiert und bildet einen Neutronen­stern“, erklärt Gabriel Martínez-Pinedo vom GSI-Helmholtz­zentrum für Schwer­ionen­forschung und der TU Darmstadt. Karlheinz Langanke vom GSI ergänzt: „Die Arbeiten begannen, als wir erkannten, dass ein stark unter­drückter, bisher ignorierter und experi­mentell unbe­kannter Über­gang zwischen den Grund­zuständen von Neon-20 und Fluor-20 ein essen­tielles Puzzle­stück zur Bestimmung der Elektronen­einfangs­rate in Sternen mittlerer Masse ist.“

Durch eine Kombination präziser Messungen des Beta-Zerfalls von Fluor-20 mit theore­tischen Berechnungen gelang der inter­natio­nalen Kollabo­ration jetzt die Bestimmung dieser wichtigen Rate. Das Experiment fand unter sehr viel fried­volleren Bedingungen statt als im Inneren von Sternen, nämlich am Beschleuniger­labor der Universität Jyväskylä in Finnland. Gemessen wurde ein über­raschend starker Übergang zwischen den Grund­zuständen von Neon-20 und Fluor-20, was zu einem Elektronen­einfang in Neon-20 bei einer sehr viel geringeren Dichte führt als bisher angenommen. Für den Stern bedeutet dies, entgegen bisheriger Annahmen, dass er sehr viel wahr­schein­licher von einer thermo­nuklearen Explosion zerstört wird, als zu einem Neutronen­stern zu kolla­bieren.

Da thermonukleare Explosionen deutlich mehr Material ausstoßen als die von einem Gravitations­kollaps ausge­lösten, haben die Ergeb­nisse Aus­wirkungen auf die chemische Entwicklung der Galaxis. Das ausge­stoßene Material ist reich an Titan-50, Chrom-54 und Eisen-60. Daher könnten unge­wöhn­liche Titan- und Chrom-Isotopen­verhält­nisse, die man in einigen Meteoriten gefunden hat, sowie die Entdeckung von Eisen-60 in Tiefsee­sedimenten von Sternen mittlerer Masse produziert worden sein und somit bezeugen, dass diese in unserer galak­tischen Nachbar­schaft in der fernen (Milliarden Jahre) und nicht so fernen (Millionen Jahre) Vergangen­heit explodiert sind.

Im Licht dieser neuen Funde scheint das wahr­schein­lichste Schicksal eines Sterns mittlerer Masse eine thermo­nukleare Explosion zu sein, die eine weniger leucht­starke Supernova vom Typ Ia und eine spezielle Art des weißen Zwergs, genannt weißer Sauerstoff-Neon-Eisen-Zwerg, erzeugt. Die (Nicht-)Entdeckung eines solchen weißen Zwergs in der Zukunft würde wichtige Einblicke in den Explosions­mecha­nismus ermöglichen. Eine weitere offene Frage ist die Rolle der Konvektion, also der Bewegung großer Material­mengen im Inneren des Sterns, in der Explosion.

GSI / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung:
  O. S. Kirsebom et al.: Discovery of an Exceptionally Strong β-Decay Transition of 20F and Implications for the Fate of Intermediate-Mass Stars, Phys. Rev. Lett. 123, 262701 (2019); DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.262701
• Theory Department, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, D-64291 Darmstadt
• Institut für Kernphysik, Technische Universität Darmstadt